第三篇

高爐煉鐵設計計算

第一章高爐煉鐵設計概述

第一章高爐煉鐵設計概述

第一節高爐煉鐵生產工藝流程

高爐煉鐵是用還原劑(焦炭、煤等)在高溫下將鐵礦石或含鐵原料還原成液態生鐵的

過程。其生產工藝流程如圖3-1-1所示。

高爐本體是冷煉生鐵的主體設備，它是由耐火材料砌筑的豎立式圓筒形爐體，最外

層是由鋼板制成的爐殼，在爐殼和耐火材料之間有冷卻設備。

要完成高爐煉鐵生產，除高爐本體外，還必須有其它附屬系統的配合，它們是：

(1)供料系統:包括貯礦槽、貯焦槽、稱量與篩分等一系列設備，主要任務是及時、準

確、穩定地將合格原料送入高爐。

(2)送風系統:包括鼓風機、熱風爐及一系列管道和閥門等，主要任務是連續可靠地

供給高爐冶煉所需熱風。

(3)煤氣除塵系統:包括煤氣管道、重力除塵器、洗滌塔、文氏管、脫水器等，主要任務

是回收高爐煤氣，使其含塵量降至lOmg/m3以下，以滿足用戶對煤氣質量的要求。

(4)渣鐵處理系統:包括出鐵場、開鐵口機、堵渣口機、爐前吊車、鐵水罐車及水沖渣

設備等，主要任務是及時處理高爐排放出的渣、鐵，保證高爐生產正常進行。

(5)噴吹燃料系統:包括原煤的儲存、運輸、煤粉的制備、收集及煤粉噴吹等系統，主

要任務是均勻穩定地向高爐噴吹大量煤粉，以煤代焦，降低焦炭消耗。

251

第三篇高爐煉鐵設計計算

I鼓風機］

至熱風爐.

高爐,環管

I原料役備II高爐本體I

2用9gBggg_j/17

0~r

圖3-1-1高爐煉鐵生產工藝流程

1一礦石輸送皮帶機;2—稱量漏斗：3一貯礦槽：4—焦炭輸送皮帶機:5—給料機；

6一粉焦輸送皮帶機;7一粉焦倉;8一貯焦槽;9-電除塵器；10-調節閥；11—文氏管除塵器;

12一凈煤氣放散管；13一下降管；14一重力除塵器；15—上料皮帶機；16—焦炭稱量漏斗；

17—礦Ti稱量漏斗；18—冷風管；19—煙道;2()~蓄熱室;21—熱風主管；22—燃燒室；

23一煤氣主管;24—混風管;25—煙囪

第二節高爐生產主要技術經濟指標

衡量高爐煉鐵生產技術水平和經濟效果的技術經濟指標，主要有：

(1)高爐有效容積利用系數(外)。高爐有效容積利用系數是指每晝夜、每1m，高爐

有效容積的生鐵產量，即高爐每晝夜的生鐵產量P與高爐有效容積V(i之比：

（3-1-1）

力是高爐冶煉的一個重要指標，力愈大，高爐生產率愈高。目前，一般大型高爐超

過2.0t/(m，d),一些先進高爐可達到2.2~2.3t/(nJd)?小型高爐的人更高，100~

300m3高爐的利用系數為2.8~32/(n/d)?

第一章高爐煉鐵設計概述

（2）焦比（K）。焦比是指冶煉每噸生鐵消耗的焦炭量，即每晝夜焦炭消耗量Qx與每

晝夜生鐵產量。之比：

K=窄（3-1-2）

焦炭消耗量約占生鐵成本的30%~40%,欲降低生鐵成本必須力求降低焦比。焦比

大小與冶煉條件密切相關，一般情況下焦比為450~500kg/i,噴吹煤粉可以有效地降低

焦比。

（3）煤比（丫）。冶煉每噸生鐵消耗的煤粉量稱為煤比。當每晝夜煤粉的消耗量為

。、時，則：

Y=窄（3-1-3）

噴吹其它輔助燃料時的計算方法類同，但氣體燃料應以體積（mD計量。

單位質量的煤粉所代替的焦炭的質量稱為煤焦置換比，它表示煤粉利用率的高低。

一般煤粉的置換比為0.7~0.9。

（4）冷煉強度（/）。治煉強度是每晝夜、每1m，高爐有效容積燃燒的焦炭量，即高爐

一晝夜焦炭消耗量QK與有效容積I/4的比值：

［二心（3-1-4）

冶煉強度表示高爐的作業強度,它與鼓入高爐的風量成正比，在焦比不變的情況下，

冶煉強度越高,高爐產量越大，當前國內外大型高爐一般為1.05左右。

（5）生鐵合格率。化學成分符合國家標準的生鐵稱為合格生鐵，合格生鐵占總產生

鐵量的百分數為生鐵合格率。它是衡量產品質量的指標。

（6）生鐵成本。生產1+格生鐵所消耗的所有原料、燃料、材料、水電、人工等一切費

用的總和，單位為元/t。

（7）休風率。休風率是指高爐休風時間占高爐規定作業時間的百分數。休風率反映

高爐設備維護的水平，先進高爐休風率小于1%。實踐證明，休風率降低1%,產量可提

高2%。

（8）高爐一代壽命。高爐一代壽命是從點火開爐到停爐大修之間的冶煉時間，或是

指高爐相鄰兩次大修之間的冶煉時間。大型高爐一代壽命為10~15年。

判斷高爐一代壽命結束的準則主要是高爐生產的經濟性和安全性。如果高爐的破損

程度已使生產陷入效率低、質量差、成本高、故障多、安全差的境地，就應考慮停爐大修或改

建。衡量高爐爐齡的指標有兩條，一是高爐的爐齡，二是一代爐齡內單位容積的產鐵量。

253

第三篇高爐煉鐵設計計算

第三節高爐煉鐵設計的基本原則

一、高爐煉鐵設計應遵循的基本原則

高爐煉鐵設計應該保證新建的高爐車間工藝布置合理、技術經濟指標先進、設備有

較高的機械化、自動化水平，有安全和盡可能舒適的勞動條件，有可靠而穩定的環境保護

措施。高爐煉鐵設計應遵循的基本原則有：

(1)合法性。設計原則和設計方案的確定，應當符合國家工業建設的方針和政策。

(2)客觀性。設計所選用的指標和技術方案應以客觀的數據為依據，做出的設計經

得起全面的客觀的評審，保證所采用的方案有堅實的基礎，并且能成功地付諸實踐。

(3)先進性。設計應反映出最近在該領域里的成就,并應考慮到發展趨勢。

(4)經濟性。在廠址、產品、工藝流程等多方案的比較中，選擇最經濟的方案，使得單

位產品投資最低、成本最低、經濟效益最佳。

(5)綜合性。在設計過程中，各部分的設計方案要互相聯系，局部方案應與總體方案

相致，各專業的設計應服從工藝部分。

(6)發展遠景。要考慮車間將來發展的可能性，適當保留車間發展所需的土地、交通

線和服務設施。

(7)安全和環保。保證各領域和工作崗位都能安全生產，不受污染，力爭做到“場外

看不到煙，場內聽不到聲”,排出的廢水、廢氣應達到國家環保法的要求。

(8)標準化。在設計中盡可能采用各種標準設計，這樣可減小設計工作量和縮短建

設周期。

(9)美學原則。車間和工作環境具有良好的布局和較好的勞動條件。在廠內應具有

排列美觀、色彩明快、安全宜人的環境，以減少疲乏和提高勞動生產率。

二、鋼鐵廠的組成

鋼鐵廠?般包括煉鐵、煉鋼、軋鋼3個車間，如果再加上礦石準備車間和焦化車間，

這個工廠就稱為鋼鐵聯合企業。只有煉鋼和軋鋼車間組成的工廠叫做鋼鐵加工廠。

鋼鐵聯合企業是一個完整生產過程的組合體，在經濟上是最合理的，可以保證較低

254

第一章高爐煉鐵設計概述

的產品成本,在技術上可以合理利用資源、能源及本企業的各種副產品。因此，一般大型

企業都建成鋼鐵聯合企業。它與不完整的冶金工廠和加工廠比較，具有以下優點：

(1)運輸費用低廉。如煉鋼或軋鋼所需要的原材料均由本廠直接供應,這樣可節省

大量運輸費用。

(2)在生產中可以采用熱裝，因而可以節約燃料、提高產量。

(3)能充分利用本企業的副產品。如將高爐煤氣、焦爐煤氣或焦油供給本企業其它

熔煉爐或加熱爐作為燃料。

(4)聯合企業設有許多輔助設施，如發電站、水站及各種加工廠等，這樣可以充分保

證本企業生產的正常進行，不致受外界因素的影響。

第四節高爐煉鐵設計程序和內容

高爐煉鐵設計的基本程序是有強約束作用的法定程序。一般要經過以下幾個階段：

提出項目建議書及設計任務書;進行項目可行性研究；審批可行性研究報告；進行初步設

計;審批初步設計;進行施工圖設計;施工建設;竣工驗收;交付使用。

建設項目一經決策，并確定建設地點后，即由建設單位委托有資格的設計部門進行

設計。設計的根據是經過批準的設計任務書。

設計工作分3個階段進行，依次為可行性研究、初步設計和施工圖設計。設計的不

同階段有不同的要求。

可行性研究的主要內容應包括:設計的指導思想;建設規模;產品方案;總體布置;項

目構成;工藝流程；占地面積和土地利用情況;工程投資概算等。

初步設計的內容要比可行性研究報告的內容更詳細，更具體，除包涵可研內容外，還

應包括主要設備選型和設備數量，公用設施和輔助設施，占地面積和土地利用情況，生產

組織和勞動定員，工藝布置圖，主要建筑材料用量，環境保護措施及消防設施，工程投資

預算及設備回收期等等。

初步設計批準后才能做施工圖設計。施工圖設計就是要繪制出建設施工所必需的

一切圖紙和文件，包括工藝布置、建筑物、設備制造、安裝、試車等所必需的所有施工圖紙

和施工說明，各種鋼材用量、原材料消耗等等。

在施工過程中，發現設計錯誤應由設計單位及時修改,修改后給施工單位發變更通

255

第三篇高爐煉鐵設計計算

知單，然后按照變更內容進行施工。

第五節高爐煉鐵廠的廠址選擇

確定廠址要做多方案比較，選擇最佳者。廠址選擇的合理與否，不僅影響建設速度

和投資，也影響到投產后的產品成本和經濟效益，必須十分慎重。廠址選擇應考慮以下

因素：

（1）要考慮工業布局，有利于經濟協作；

（2）合理利用地形設計工藝流程，簡化工藝，減少運輸量，節省投資；

（3）盡可能接近原料產地及消費地點，以減小原料及產品的運輸費用；

（4）地質條件要好，地層下不能有有開采價值的礦物，也不能是已開采區；

（5）水電資源要豐富，高爐車間要求供水、供電不得間斷，供電要雙電源；

（6）盡量少占良田：

（7）廠址要位于居民區主導風向的下風向或側風向。

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第二章高爐煉鐵車間設計

第二章高爐煉鐵車間設計

在鋼鐵聯合企業中，高爐煉鐵車間占有重要地位。在總平面布置中，高爐煉鐵車間

位置應靠近原、燃料供應車間和成品生鐵使用車間，務必使物料流程短捷合理。

第一節高爐座數及容積的確定

高爐煉鐵車間建設高爐的座數，既要考慮盡量增大高爐容積，又要考慮企業的煤氣

平衡和生鐵量的均衡，所以一般根據車間規模，由兩座或三座高爐組成為宜。

-、生鐵產量的確定

設計任務書中規定的生鐵年產量是確定高爐車間年產量的依據。

如果任務書給出多種品種生鐵的年產量如制鋼鐵與鑄造鐵，則應換算成同一品種的

生鐵。一般是將鑄造鐵乘以換算系數，換算為同一品種的制鋼鐵，求出總產量。折算系

數與鑄造鐵的硅含量有關,詳見表3-2-1。

表3-2-1折算系數與鑄造鐵含硅量的關系

鑄鐵代號Z15Z20Z25Z3OZ35

Si/%1.25-1.751.75-2.252.25-2.752.75-3.253.25-3.75

折算系數1.051.101.151.201.25

如果任務書給出鋼錠產量，則需要做出金屬平衡，確定生鐵年產量。首先算出鋼液

消耗量，這時要考慮澆注方法、噴濺損失和短錠損失等，一般單位鋼錠的鋼液消耗系數為

257

第三篇高爐煉鐵設計計算

1.()1()~1.02()。再由鋼液消耗量確定生鐵年產量。噸鋼的鐵水消耗取決于煉鋼方法、煉

鋼爐容大小、廢鋼消耗等因素,一般為1.050~1.10t,技術水平較高，爐容較大的選低值;

反之，取高值。

二、高爐煉鐵車間總容積的確定

計算得到的高爐煉鐵車間生鐵年產量除以年工作日，即得出高爐煉鐵車間日產量

(t),即：

高爐煉鐵車間日產量=

斗jy」一1xF口

高爐年工作日一般取日歷時間的95%。

根據高爐煉鐵車間日產量和高爐有效容積利用系數可以計算出高爐煉鐵車間總容

積(lx?):

高爐煉鐵車間總容積二高爐有用系數

高爐有效容積利用系數一般直接選定。大高爐選低值，小高爐選高值。利用系數的

選擇應該既先進又留有余地，保證投產后短時間內達到設計產量。如果選擇過高則達不

到預定的生產量，選擇過低則使生產能力得不到發揮。

三、高爐庫數的確定

高爐煉鐵車間的總容積確定之后就可以確定高爐座數和?座高爐的容積。設計時，

一個車間的高爐容積最好相同。這樣有利于生產管理和設備管理。

高爐座數要從兩方面考慮，?方面從投資、生產效率、管理等方面考慮，數目越少越

好;另一方面從鐵水供應、高爐煤氣供應的角度考慮，則希望數目多些。確定高爐座數的

原則應保證在1座高爐停產時，鐵水和煤氣的供應不致間斷。過去鋼鐵聯合企業中高爐

數目較多，如鞍鋼10座以上。近年來隨著管理水平的提高，新建企業一般只有2~3座

高爐，如寶鋼現有3座高爐。

第二節高爐煉鐵車間平面布置

高爐煉鐵車間平面布置的合理性，關系到相鄰車間和公用設施是否合理，也關系到

原料和產品的運輸能否正常連續進行，設施的共用性及運輸線、管網線的長短，對產品成

258

第二章高爐煉鐵車間設計

本及單位產品投資有一定影響。因此規劃車間平面布置時一定要考慮周到。

一、高爐煉鐵車間平面布置應遵循的原則

合理的平面布置應符合下列原則：

（1）在工藝合理、操作安全、滿足生產的條件下，應盡量緊湊，并合理地共用一些設備

與建筑物，以求少占土地和縮短運輸線、管網線的距離。

（2）有足夠的運輸能力，保證原料及時入廠和產品（副產品）及時運出。

（3）車間內部鐵路、道路布置要暢通。

（4）要考慮擴建的可能性，在可能條件下留一座高爐的位置。在高爐大修、擴建時施

工安裝作業及材料設備堆放等不得影響其它高爐正常生產。

二、高爐煉鐵車間平面布置形式

高爐煉鐵車間平面布置形式根據鐵路線的布置可分為以下4種：

（一）一列式布置

一列式高爐平面布置如圖3-2-1所示,其主要特點是：高爐與熱風爐在同一列線,

出鐵場也布置在高爐列線上成為一列，并且與車間鐵路線平行。這種布置可以共用出鐵

場和爐前起重機，共用熱風爐值班室和煙囪，節省投資：熱風爐距高爐近，熱損失少。但

是運輸能力低，在高爐數目多，產量高時，運輸不方便，特別是在一座高爐檢修時車間調

度復雜。

圖3-2-1一列式高爐平面布置圖

1一高爐;2一熱風爐;3—重力除塵器;4一出鐵場;5—高爐計器室：6—休息室;7—水渣溝；

8一卷揚機室:9一熱風爐計器室：10-煙囪；11一貯礦槽：12一貯焦槽：13—鐵水罐車停放線

259

第三篇高爐煉鐵設計計算

（二）并列式布置

并列式高爐平面布置如圖3-2-2所示,其主要特點是：高爐與熱風爐分設于兩條

列線上，出鐵場布置在高爐列線，車間鐵路線與高爐列線平行。這種布置可以共用一些

設備和建筑物，節省投資；高爐間距離近。但是熱風爐距高爐遠，熱損失大，并且熱風爐

靠近重力除塵器，勞動條件不好。

圖3-2-2并列式高爐平面布置圖

1—高爐：2一熱風爐;3—重力除塵器;4—出鐵場：5—高爐計器室;6—休息室；

7—水渣池;8-卷揚機室;9-熱風爐計器室；10—煙囪；11一鐵水罐車停放線；12—洗滌塔

（三）島式布置

島式高爐平面布置如圖3-2-3所示，每座高爐和它的熱風爐、出鐵場、鐵水罐車停

放線等組成一個獨立的體系，并且鐵水罐車停放線與車間兩側的調度線成一定的交角，

角度一般為島式布置的鐵路線為貫通式，空鐵水罐車從一端進入爐旁，裝滿

鐵水的鐵水罐車從另一端駛出，運輸量大，并且設有專用輔助材料運輸線。但是高爐間

距大，管線長;設備不能共用，投資高。

現代高爐煉鐵車間的特點是高爐數目少，容積大。為了適應這種大型高爐的需要,

島式布置又有了新的發展如圖3-2-4所示。這種布置采用皮帶機上料、圓形出鐵場,

高爐兩側各有兩條鐵水罐車停放線，配用大型混鐵爐式鐵水罐車和擺動流嘴。在爐子兩

側還各有一套爐前水沖渣設施,水渣外運用皮帶機。前蘇聯新里別斯克的3200m'高爐

和我國武鋼4號高爐的布置均與此相似。

260

第二章高爐煉鐵車間設計

圖3-2-3島式高爐平面布置圖

1一高爐及出鐵場;2—貯焦槽;3—貯礦槽;4一上料皮帶機;5-熱風爐;6—重力除塵器;

7一文氏管:8—干渣坑:9一計器室：10-循環水設施：11一濃縮池；12一出鐵場除塵設施:

13—煤氣罐；14一修理中心；15—修理場：16一總值班室

圖3-2-4圓形出鐵場的高爐平面布置圖

1、11-鐵水罐車走行線;2、13—鐵水罐車停放線:3一爐前水沖渣設施;4一高爐計器室:

5一熱風爐;6—煙囪；7-熱風爐風機站；8-圓形出鐵場;9-煤氣除塵設備；

10—干式除塵設備；12—清灰鐵路線：14—上料皮帶機；15一爐渣粒化用壓縮空氣站；

16一運出水渣皮帶機；17—輔助材料運輸線；18一上爐臺的公路；19-礦槽棧橋

261

第三篇高爐煉鐵設計計算

（四）半島式布置

半島式布置是島式布置與并列式布置的過渡，高爐和熱風爐列線與車間調度線間的

交角增大到45。,因此高爐距離近，并且在高爐兩側各有三條獨立的有盡頭的鐵水罐車停

放線，和一條輔助材料運輸線，如圖3-2-5所示。出鐵場和鐵水罐車停放線垂直，縮短

了出鐵場長度，設有擺動流嘴，出一次鐵可放置多個鐵水罐車，近年來新建的大型高爐多

采用這種布置形式。

圖3-2-5半島式高爐平面布置示意圖

1一高爐;2-熱風爐;3—除塵器;4一凈煤氣管道;5—高爐計器室;6—鐵水罐車停放線；

7一干渣坑：8-水淬電器室:9一水淬設備；10—沉淀室：11一爐前除塵器；12—脫水機室;

13一爐底循環水槽；14-原料除塵器；15一貯焦槽；16-貯礦槽；17—備品庫；

18一機修間；19一碾泥機室;20—廠部;21一生活區;22—公路;23—水站

262

第三章高爐爐型設計計算

第三章高爐爐型設計計算

第一節高爐爐型的一般概念

在高爐的垂直剖面上，由耐火爐襯所限定的工作空間的形狀稱作爐型。由于高爐一

開爐爐襯就受到高溫的燒蝕，所以爐型不是固定的。

因此應區別設計（計算）爐型與工作爐型。穩定的工作爐型是與生產條件及爐子結

構特點有關,其中包括冷卻系統。工作爐型系指高爐工作時空間的形狀，它與爐身爐襯

設計厚度有區別。但這并不排除設計爐型對高爐行程及其操作技術經濟指標的影響。

設計爐型愈合理，煤氣的化學能及物理能利用愈佳，爐況更順行，爐襯燒蝕均勻，工作爐

型與設計爐型主要尺寸的比例關系更趨穩定。而當爐襯不均勻燒蝕時，即爐型改變時，

高爐生產率降低，焦炭消耗增加。因此，重要的是不僅要尋找最佳的設計爐型，還要在生

產過程中經常監視爐型的“潔凈程度”，達到相對均勻的燒蝕。

這些條件的合理配合，可得到所謂合理爐型，開爐后能夠迅速達到設計指標，并在該

爐具體生產條件下獲得更高的生產率。

第二節高爐剖面主要尺寸及其組成部分

高爐爐型（圖3-3-1）分為若干組成部分。爐缸（高爐下部圓筒型部分）自身又分為

上部和下部（或者相應的風口區及金屬熔池）。金屬熔池底部稱為爐底。低于出鐵口底

263

第三篇高爐煉鐵設計計算

板的金屬熔池部分稱為“底坑”或'死鐵"層（高h）。這個區域總是充滿著液態冶煉產物,

并保護爐底免受爐缸發生的各種過程的作用。死鐵層高度h不包括在爐缸高度加

之內。

大料斗下沿

大佛開放時

前ix平面

出鐵口水平面

圖3-3-1高爐爐型

H一全高；仇一有效高；兒一爐缸高度；兒一爐腹高度：％一爐腰高度；

以一爐身高度；一爐缸直徑；。一爐腰直徑；心一爐喉直徑：

a一爐身傾斜角;f一爐腹傾斜角

在爐缸與爐腰之間為爐腹。它是一個截錐,錐底寬擴的一面朝向爐腰。

爐腰以上為爐身，也是一個截錐形，不過錐底小的一面朝上與圓筒型的爐喉相接。

爐型主要尺寸是指高爐的有效高及全高、各段的高度（爐缸、爐腹、爐腰、爐身、爐喉）

及其直徑。上述主要尺寸決定了高爐工作空間，即所謂有效容積（%），它等于從出鐵口

中心線到大鐘下沿（或者裝料設備的最低位置）之間的爐子體積。從大鐘下沿（開啟后的

——譯者注）到鐵口中心線的高度稱為有效高度（〃°）。

料線（爐料裝入水平）應保持在大鐘下沿或溜槽下沿下面1.0~1.5m處。

與有效高度不同，高爐全高是指由出鐵口中心線到爐喉保護環圈上沿的距離（保護

環圈上支撐著裝料設備）。高爐全高與有效高之差取決于裝料設備的高度。

有效高與爐腰直徑之比（〃。/0）、爐喉直徑與爐腰直徑之比（&/0）以及爐腰直徑與

爐缸直徑之比（。/dr）決定著爐子的形狀，其中爐身傾斜角（a）和爐腹角也對爐型有影

響。爐喉爐墻與大鐘下沿或布料溜槽（開啟的位置或傾斜的位置）之間的距離叫做爐喉

間隙,它是由A.H.拉姆和H.K.列奧尼德的經驗公式確定的。

S=0.1或+0.2

264

第三章高爐爐型設計計算

式中心—爐喉直徑。

如果已知人及r/Clm2爐喉間隙的面積所燃燒的燃料量），則可以確定d0（大鐘直

徑）：

d°履-0.785g

式中Q——高爐每日燃燒的燃料量，即焦炭冶煉強度;

0.785=x/4

第三節高爐爐型的演變

高爐爐型演變的歷史是從14世紀開始的，當時的工作腔類似于兩個截錐，其較長的

底邊相接（見圖3-3-2）o15世紀的第一批高爐與這種爐型差不多，但要高一些（由4.5

到6.5m）,爐腰直徑2~3m,爐缸直徑0.7-0.8m。

圖3-3-2早期高爐爐型

隨著爐襯被燒蝕,擴大了工作腔，煤氣利用得到改善，因而爐子生產率提高了，燃料

消耗下降。當時爐型的變化主要表現在加大爐子中部的橫向尺寸上。

由于鼓風手段薄弱，缺乏熱風，當時唯一的燃料木炭強度又低，限制了爐子往高向發

展。另外，由于缺乏機械化裝料設備及冶煉產物的裝運設備（全部均由人工進行），爐喉

及爐腰直徑的擴大也受到限制。

提高爐缸溫度曾被認為是不希望的，這是因為擔心生鐵含硅量過高，以后，出現了增

加鼓風量及其溫度的可能性，此時由于爐子斷面燒蝕擴大，煤氣分布及熱交換獲得改善,

265

第三篇高爐煉鐵設計計算

煤氣的利用也改善了。

到19世紀中葉，爐子體積主要由于爐腰直徑增加而擴大，但生產率仍然很低，每日

不超過1.6to

此時期德國的費克爾哈根工廠的高爐（圖3-3-3）具有代表性（1838年）。從這種

爐型很清楚地看出其生產力低下的原因。即爐缸直徑與爐喉直徑特別是與爐腰直徑很

不協調，煤氣利用很差，煤氣優先經過爐子中心部分，而對爐子邊沿部分的爐料加工不

足。爐型的主要尺寸比例：//。=1.5；=13.2；源/。=0.361。爐缸狹小是爐子

單位容積產鐵低的原因。隨著爐襯被燒損，爐容不斷擴大，有可能鼓入更多的風量。對

19世紀初期的爐子，D/dr之比降到了3~5，而&/O=0.25~0.6,同時顯著增大了爐身

傾角及爐腹傾角，分別為80~86。及55~65°=

圖3-3-3德國費克爾哈根工廠28m'使用木炭的高爐爐型

這類爐子出現在19世紀40年代初期的德國和法國冶金工廠，它顯著區別于費克爾

哈根工廠的爐子（較小的橫向尺寸與較大的高度，當時用木炭所允許的最大高度）。

在俄國的烏拉爾，與西歐爐子的主要區別不僅在于有效容積大（約3.0~3.5倍），而

爐子各主要尺寸比例有很大差別。爐腰直徑與爐缸直徑之比較小，而爐喉直徑與爐腰直

徑之比較大（0.75）,這是在它們與各自的全高的比例相同的情況下作上述比較的。例

如，在1740年，即費克爾哈根工廠高爐建立之前100年，在烏拉爾涅維揚斯克工廠就建

立了高12.8m的爐子（圖3-3-4）。其尺寸大約比德國萊茵工廠的爐子大25%,而有效

容積是法國克列爾瓦爾廠的爐子的3.5倍（圖3-3-5、3-3-6）。

與萊茵工廠爐子相比，涅維揚斯克工廠的爐子的爐缸上部尺寸加大了，與爐腹相接

處有較大的截面，爐腹較陡。涅維揚斯克工廠的爐子是世界上用木炭冶煉的最高的爐

子，依靠其自身的尺寸及爐型，該爐長時期保持了生產率領先的地位。1743年,馬荷

金在世界上首先于該爐子上應用了兩個風口送風。

1765年，由H.波祖諾夫發明的帶有圓筒型風箱的蒸汽機被烏拉爾下塔吉爾工廠應

用，由此得以增加爐子的高度，避免了西歐爐子不合理的爐型。

266

第三章高爐爐型設計計算

圖3-3-4涅維揚斯克工廠有效容積為72m,的爐子爐型

（烏拉爾，1740年）

圖3-3-5德國萊茵工廠使用木炭的高爐爐型

（19世紀40年代初，有效容積32.3m3日生鐵產量4t）

267

第三篇高爐煉鐵設計計算

圖3-3-6法國克列爾瓦爾工廠使用木炭的高爐爐型

（有效容積21.9m3,日產再制生鐵3t）

烏拉爾的爐子具有當時世界上先進的技術經濟指標，超過了當時英國最好的焦炭高

爐的生產率。這是因為在1740年，英國雖然首先采用了焦炭，但在相當長時期內仍在原

來的木炭爐子內冶煉。由于當時鼓風量不足，所以擴大爐子尺寸的工作進展緩慢。直到

1776年出現了瓦特蒸汽機時，擴大爐容在英國才得以實現。1839年，英國冶金學家G.

吉本斯在其著作《有關斯特拉伏爾德什拉高爐結構的實際記載》中提出了有關高爐爐型

的計算法,注意到爐子耐火襯的特性及其損耗，當時他指出了不合理的設計爐型，在使用

過程的初期就要發生很大的變化。

按照他的意見，爐子內部工作空間的形狀，設計時就應該定為開爐頭幾個月后被激

烈侵蝕的形狀，這樣高爐一代的壽命就會大大增加。

按此原則建立的高爐（圖3-3-7）有較大的爐缸直徑,更陡而高的爐腹和加大了的

爐喉。其設計生產能力比以前的爐子大大增加，實際生產量也比原有水平大幅度提高

了，而一代爐齡達到了7年,創下了當時的紀錄。

但由G.吉本斯提出的設計原則并沒有得到推廣，其“自然”爐型的思想也未實現。

只是經過了相當長的時間后，在前蘇聯及外國在建設薄壁爐身高爐時，被稱為“?定的”

爐型的合理建議中才體現了上述思想及原則。

268

第三章高爐爐型設計計算

圖3-3-7吉本斯爐型

(1839年，有效容積141m3平均日產生鐵151

19世紀6()年代，西方焦炭高爐的高度進一步增加到24~27m,這是在克里夫蘭市克

拉連斯工廠的“細長”型爐子上實現的。焦炭具有較高的機械強度,鼓風強化及鼓風加熱

措施均對上述起了促進作用。

后來,法國的JI.格留涅爾于1876年公布了他對高爐冶煉歷史的研究，論證了增加

爐子高度的合理性。他研究了爐子高度與爐腰直徑關系，指出其比例愈大，高爐有效容

積的利用更有效，焦炭消耗降低。當爐型較狹窄或細長時(對于焦炭高爐，。/。=4.0,

對于木炭高爐H。/。=4.33),獲得了最佳結果。

在克拉連斯工廠建立了類似的爐子(圖3-3-8).這些爐子的H./D比值為

3.7~4.6。

因此，當爐子不高而爐腰很大時,JI.格留涅爾的提議實際上是增加爐子高度而保持

爐腰直徑不變。結果，爐子高度增加到27~30m,它與爐腰直徑之比穩定在4.0~4.5,而

不停地擴大爐缸使爐腹角增大，并使爐腹高度降低到3.5~3.0m。這促進爐料順行，改

善高爐橫截而煤氣流的分布。

在1880~1920年期間，特別是在美國，爐子有效容積急劇增大到700~800m3(Hn/

0=4.0)。在爐喉直徑定為5.18m時，爐腹角由73~76。加大到80~83。,而爐身角由87

~86。降到83~85。。此時認為，將爐缸直徑增到4.5~6.5m,是提高爐子生產率的主要條

件,而與爐子其他尺寸的關系并不大。

269

第三篇高爐煉鐵設計計算

圖3-3-8克拉連斯工廠高爐

（蘇格蘭，有效容積570m\1874年）

這種觀點當時在美國廣為流傳,成為建設所謂“瓶式”爐型的高爐（圖3-3-9）的主

要原因，當時這種高爐的心/。=0.63~0.65。

SW2G

8b"UI'

rn/smIS70m>

0S69O

圖3-3-9美國高爐爐型

a—1930年；b—1940~1960年

這些高爐的操作表明，焦炭消耗高，爐塵吹出量大，因而僅僅增大爐缸直徑并不能使

產量按比例增長。單獨擴大爐缸截面使煤氣在爐內停留時間縮短,狹窄的爐喉限制了其

通過的能力，使煤氣分布變差,增加焦炭消耗，降低產量。

高爐爐型的發展列入表3-3-1。

270

第三章高爐爐型設計計算

表3-3-119世紀末到20世紀初高爐爐型的演變

高爐

參數最早的菲克爾哈涅維揚斯吉木斯，克拉連斯廠，埃利庫波廠，

爐子根廠，1838年克廠，1740年1839年1874~1908年1930年

Vo7.028.072.0141.0330.01085.0

dr7603501600121930508690

D183039603560391251809140

dk76013702310243839605790

H4570625012800152402385026850

%4570625012800152402187022590

hr213014502300106624603200

h—8401690391238903850

—一——660970

244039608810102621486013140

hul

限——78.0

a77。40，71。50'86。00'——87°40z810307

86。10'

B76。00'25。00'59。53'71030,74°40z86。00'

Ho/D2.51.583.603.614.222.47

dk/D0.420.350.650.600.780.67

D/dr2.4111.502.223.151.701.05

3.1c，//()?/i,2k分

注：vQ—爐子有效容積，nH,rh3

別為爐子全高、有效高H白缸高、爐腹高、爐腰高、爐身高和爐喉高，“UU：——分別為爐身及爐腹傾斜角度。

高爐爐型進一步發展，放棄了瓶式爐型，而逐步將爐喉直徑擴大到5.8m而使d,/D

值保持相對穩定(0.68~0.72),D/d,=1.10-1.12,=3~2.6。

1940年到I960年期間高爐有效容積擴大到1500-1550m3和超過1800mL同時爐

高達33.6m,爐缸直徑達9.23m,爐腰直徑達10.14m,而爐喉直徑到7.0m(圖3-3-

10).上述期間主要尺寸之間的比例基本不變。

271

第三篇高爐煉鐵設計計算

2700mJ

號8邙337

612W0一9

毫

al^11000

圖3-3-1()現代商爐爐型

(按前蘇聯國立冶金工廠設計院設計的標準爐型)

革命前，前蘇聯的焦炭高爐爐型存在著當時歐洲大多數爐型的缺點：爐缸直徑小，爐

腹高而傾角小。在1924~1930年期間對爐子進行現代化及大規模改造并大幅度提高生

產率時，這些缺點才得到克服。

1930年和1936年，由前蘇聯國家冶金工廠設計院最早設計的兩種典型爐型高爐(有

效容積為930m3和1300~1386m3)相繼建成。以后前蘇聯高爐爐型(圖3-3-11)朝著

減小Ho/D比值(由2.83降到2.56)方向發展，爐身爐墻傾角減小(到83。30，),爐腹傾角

加大(到79。00')。爐喉與爐腰直徑之比，以及爐腰與爐缸直徑之比改變較少，這是由于

爐容的擴大主要是靠擴大爐子橫向尺寸,而爐子相對高度增加不大。

高爐爐容的進一步擴大受到了大容積高爐在經濟上是否合理的限制。前蘇聯相繼

建成了3()0()、320()、5()0()、5500nJ的高爐。隨著爐容的擴大，值以及有效容

積與爐缸截面積之比)值減小(圖3-3-12)。例如，對于2000m，高爐，，<>/。值從2.70

降到了2.52~2.45;對于3000~3200m3高爐，該值降到2.28~2.11;對于5000~

55()()n/高爐，該值更低。日本的高爐此值更小，對于大多數巨型高爐此值為2.11~

272

第三章高爐爐型設計計算

2.()1,而在奧依塔工廠的1號高爐，該值只有1.97。在美國，新建爐子“。/。=2.24,而

趨勢是降到2.15。加拿大、法國、英同、巴西、荷蘭，=2.17~2.30。

圖3-3-II高爐有效高度與爐腰直徑及有效容積之間的關系

1000woo

圖3-3-12爐缸(1)、爐腰(2)、爐喉(3)

直徑與高爐有效容積的關系

a-前蘇聯;1,一美國(虛線)，日本(實線)

以前,格留涅爾推薦的比值(〃。/0)為4.0,巴甫洛夫和列捷布爾推薦的比值為3.5,

拉姆推薦值為2.59,在當時其目的是有助于煤氣流的均勻分布，而現在這已失去了意義。

因為強化冶煉的條件首先就要保證爐子順行,這只有靠降低上述比位才能實現。

高爐冶煉工藝的變化也使爐型的其他尺寸得到改進(見圖3-3-12)。例如，減少爐

喉及爐腰直徑的比值，目前前蘇聯及國外認為最佳比值為0.65~o.67,這與寬闊的爐腰

工作條件變化有關。當爐腰擴大時，其工作條件有所改善。

初渣粘度影響減輕，焦炭粉碎的影響也減小。d,./D值大于0.65-0.67并不必要,

這是由于在這種條件下和爐頂煤氣壓力增高的情況下，氣流通過爐子的能力增強了。

在爐子高度增加不大并且爐腰與爐缸直徑比例不變的情況下,擴大爐腰將使爐身傾

角減小，因而會導致一定程度的中心氣流發展。

研究當代巨型高爐(有效容積為3200、5000、5580m見圖3-3-13)的爐型可以看

出，與標準設計的2()()()m,高爐相比，爐身傾角減小了。日本的爐型發展也有類似的情

273

第三篇高爐煉鐵設計計算

況。當爐身傾角減小的同時，也增大爐喉間隙,這將改善爐子邊沿的透氣性，特別對于細

粒原料的操作更是如此。例如日本某廠(圖3-3-14)的高爐(有效容積為4883m，爐喉

直徑為10500mm)其爐身傾角為81%日本某廠3、4、5號高爐的爐喉直徑分別為9000、

10500、10700m,爐身傾角分別為83。17'、82。01'、80。18';而在日本另一些工廠的高爐爐喉

直徑達11200和9500mm,爐身傾角為81。22'和80°22'。

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1510。34700

圖3-3-13前蘇聯國立冶金工廠設計院設計的超大型高爐

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圖3-3-14一些工廠高爐爐型

a—日本某廠:b-德國什維爾格爾廠;c-加拿大戈米爾頓廠:<1一美國阿姆柯廠

隨著爐缸直徑擴大,爐腹角相應加大以防止爐子邊沿產生爐料滯留帶，使中心帶的

爐料下料順暢，這對具有很大橫截面的爐子更為重要。前蘇聯及口本的現代化高爐爐腹

角為79~8()。,法國、巴西、美國、德國為8()~84°?只有日本某廠的一座高爐為76。,德國

的什維爾格爾廠的一座36()()n?高爐(1973年)為78。。

在前蘇聯的具有很大的爐缸及爐腰的爐子上，其D/dv的平均值較低，因而爐腹更

陡一些,而爐身角大約相同。表3-3-2列出了前蘇聯、日本、德國、加拿大、美國的一些

現代化高爐的爐型。

274

表3-3-2現代高爐爐型標準發展情況

前蘇聯國立冶金工廠設計院設計的標準高爐容積(n?)外國高爐容積(n?)

參數10331386日本德國加拿大美國

151317192002230027003000320050375580

(I)類型(口)類型4830360022052242